Сплав БрСу3Н3Ц3С20Ф

БрСу3Н3Ц3С20Ф — безоловянная литейная антифрикционная бронза, входящая в группу свинцовых бронз. Основа сплава — медь, главный легирующий компонент — свинец (18–22 %). Дополнительно в состав входят сурьма, никель, цинк и фосфор. Марка регламентирована ГОСТ 493-79 «Бронзы безоловянные литейные. Марки».

Расшифровка обозначения: Бр — бронза, Су — сурьма, Н — никель, Ц — цинк, С — свинец, Ф — фосфор. Цифры указывают номинальное содержание каждого элемента в процентах (сурьма ~3 %, никель ~3 %, цинк ~3 %, свинец ~20 %, фосфор — доли процента).

Химический состав БрСу3Н3Ц3С20Ф по ГОСТ 493-79

Сплав относится к многокомпонентным свинцовым бронзам. Медь составляет основу; её массовая доля определяется как остаток после вычитания суммы легирующих элементов и примесей.

Основные компоненты

По требованию потребителя ГОСТ 493-79 допускает расширенные пределы по отдельным компонентам: сурьма 3,4–4,5 %, никель 4,5–6,0 %, фосфор 0,25–0,4 %.

Допустимые примеси

Примеси, не указанные в стандарте отдельной строкой, входят в общую сумму (не более 0,9 %). Химический состав определяют по ГОСТ 15027.0-77 – ГОСТ 15027.14-77.

Роль легирующих элементов в сплаве БрСу3Н3Ц3С20Ф

Каждый компонент бронзы БрСу3Н3Ц3С20Ф выполняет конкретную функцию, связанную с работой сплава в условиях трения и нагрузки.

Свинец (18–22 %) — основной антифрикционный элемент. В медной матрице свинец практически не растворяется и образует отдельные мягкие включения, которые при работе подшипника выполняют роль твёрдой смазки. При трении свинцовые включения размазываются по поверхности, снижая коэффициент трения и предотвращая задир.

Сурьма (3–4 %) повышает твёрдость и износостойкость медной матрицы, улучшает способность сплава сохранять масляную плёнку на рабочей поверхности.

Никель (3–4 %) упрочняет медную основу за счёт образования твёрдого раствора, повышает коррозионную стойкость и улучшает равномерность распределения свинцовых включений в структуре.

Цинк (3–4 %) дополнительно упрочняет твёрдый раствор на основе меди и улучшает литейные свойства сплава — повышает жидкотекучесть расплава.

Фосфор (0,15–0,30 %) действует как раскислитель при плавке и литье, снижает газонасыщенность расплава. Присутствие фосфора уменьшает пористость отливок и улучшает их плотность.

Механические свойства бронзы БрСу3Н3Ц3С20Ф

Механические свойства приведены по справочному приложению 1 к ГОСТ 493-79 для литья в кокиль (металлическую форму). Данные относятся к термически необработанному состоянию.

Невысокое значение временного сопротивления (157 МПа) и малая пластичность (δ₅ = 2 %) — типичные характеристики свинцовых бронз. Высокое содержание свинца, который не растворяется в медной матрице, а образует отдельную фазу, снижает прочностные показатели. Это не является недостатком для антифрикционного назначения: основная задача сплава — минимальный коэффициент трения и способность работать в паре с закалённым стальным валом, а не воспринимать высокие механические нагрузки.

Физические свойства

ГОСТ 493-79 не нормирует физические свойства сплава БрСу3Н3Ц3С20Ф (плотность, температуру плавления, теплопроводность и др.). Ориентировочные значения можно оценить исходя из состава сплава и данных по аналогичным свинцовым бронзам.

Для справки: близкая по типу бронза БрС30 (27–31 % свинца) имеет плотность около 9,5 г/см³. Бронза БрСу3Н3Ц3С20Ф содержит меньше свинца, но включает сурьму, никель и цинк, поэтому ориентировочная плотность составляет порядка 9,1–9,4 г/см³.

Температура начала плавления (солидус) определяется наличием свинцовой фазы и составляет около 326–327 °C (температура плавления свинца). Температура ликвидус (полного расплавления) лежит ниже температуры плавления чистой меди (1085 °C) и для медно-свинцовых сплавов с 20 % Pb ориентировочно составляет 980–1000 °C.

Особенности структуры и антифрикционного поведения

Система медь–свинец характеризуется практически полной нерастворимостью компонентов друг в друге в твёрдом состоянии. При затвердевании отливки сначала кристаллизуется медная матрица (упрочнённая никелем, цинком и сурьмой), а затем в межзёренных промежутках и порах застывает свинец. В результате формируется двухфазная структура: твёрдая несущая медная основа с распределёнными по ней мягкими свинцовыми включениями.

При эксплуатации узла трения свинцовые включения играют роль встроенной смазки. Под нагрузкой мягкий свинец «выдавливается» на поверхность трения, образуя тонкую антифрикционную плёнку. Это обеспечивает низкий коэффициент трения, хорошую прирабатываемость к стальному контртелу и устойчивость к задиру.

В отличие от простой двухкомпонентной бронзы БрС30, сплав БрСу3Н3Ц3С20Ф обладает более прочной и износостойкой матрицей за счёт комплексного легирования (Sb, Ni, Zn), что позволяет ему работать при несколько более высоких удельных нагрузках.

Применение сплава БрСу3Н3Ц3С20Ф

Согласно ГОСТ 493-79, бронза БрСу3Н3Ц3С20Ф предназначена для изготовления антифрикционных деталей методом литья в кокиль. Типичные изделия из этого сплава:

• подшипники скольжения (вкладыши, втулки, полувтулки);
• опорные и упорные подшипниковые узлы;
• антифрикционные кольца и уплотнения;
• направляющие элементы, работающие в паре со стальным закалённым валом.

Сплав рассчитан на работу при умеренных скоростях скольжения и нагрузках в условиях масляной смазки. Области применения — узлы трения общепромышленных машин и механизмов, где требуется надёжная антифрикционная пара со стальным контртелом.

По сравнению с свинцовыми баббитами, бронза БрСу3Н3Ц3С20Ф обладает более прочной матрицей и допускает более высокие удельные нагрузки, однако требует более качественной смазки и менее устойчива к работе в режиме сухого трения.

Формы поставки

Бронза БрСу3Н3Ц3С20Ф поставляется в виде литых заготовок (чушек, слитков) для последующей переплавки и литья в кокиль. Готовые отливки (втулки, вкладыши) также могут поставляться по чертежам заказчика. Форма поставки зависит от задачи конкретного производства — литейный завод может работать как с чушками для самостоятельной плавки, так и с готовыми литыми заготовками, требующими только механической обработки.

Помимо свинцовых бронз, для антифрикционных узлов применяют бронзографитовые и меднографитовые заготовки, работающие в условиях ограниченной смазки или без неё.

Технологические особенности литья

При плавке и литье бронзы БрСу3Н3Ц3С20Ф необходимо учитывать главную металлургическую проблему свинцовых бронз — ликвацию свинца. Из-за большой разницы в плотности меди (8,96 г/см³) и свинца (11,34 г/см³) при затвердевании свинец стремится сконцентрироваться в нижней части отливки. Для получения равномерного распределения свинцовой фазы применяют интенсивное перемешивание расплава перед заливкой и быстрое охлаждение (литьё в металлический кокиль, а не в песчаную форму).

Фосфор в составе сплава выполняет роль раскислителя: связывает растворённый кислород в виде фосфатов, которые переходят в шлак, снижая пористость и улучшая качество отливок.

Обработка резанием свинцовых бронз, как правило, не вызывает затруднений — свинцовые включения выполняют роль стружколома, облегчая механическую обработку.